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The fluxes of carbon dioxide, methane and nitrous oxide in alpine grassland of the Tianshan Mountains, Xinjiang

新疆天山高寒草原不同放牧管理下的CO2,CH4和N2O通量特征



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 渊杂匀耘晕郧栽粤陨 载哉耘月粤韵冤
摇 摇 第 猿源卷 第 猿期摇 摇 圆园员源年 圆月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
灾后生态恢复评价研究进展 刘孝富袁王文杰袁李摇 京袁等 渊缘圆苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生态能量视角的我国小水电可持续性分析 庞明月袁张力小袁王长波 渊缘猿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
北部湾北部海域夏季微型浮游动物对浮游植物的摄食压力 马摇 璐袁曹文清袁张文静袁等 渊缘源远冤噎噎噎噎噎噎
鲶鱼和胡子鲶的两性异形与雌性个体生育力 樊晓丽袁林植华袁丁先龙袁等 渊缘缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
环境温度对白头鹎代谢产热和蒸发失水的影响 林摇 琳袁曹梦婷袁胡益林袁等 渊缘远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
灌溉对沙拐枣幼苗生长及氮素利用的影响 黄彩变袁曾凡江袁雷加强袁等 渊缘苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
孕粤匀泽污染土壤植物修复对酶活性的影响 朱摇 凡袁洪湘琦袁闫文德袁等 渊缘愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于修正 砸陨杂运耘模型的重庆岩溶地区地下水脆弱性评价 魏兴萍袁蒲俊兵袁赵纯勇 渊缘愿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎
排水沟蓄水条件下农田与排水沟水盐监测 潘延鑫袁罗摇 纨袁贾忠华袁等 渊缘怨苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
高寒退化草地不同海拔梯度狼毒种群分布格局及空间关联性 高福元袁赵成章袁卓马兰草 渊远园缘冤噎噎噎噎噎噎
捕食者对空心莲子草叶甲种群的生物胁迫 刘雨芳袁李摇 菲袁桂芳艳袁等 渊远员猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
夏尧冬季南海北部浮游植物群落特征 马摇 威袁孙摇 军 渊远圆员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
磨盘山天然次生林凋落物数量及动态 范春楠袁郭忠玲袁郑金萍袁等 渊远猿猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
持续干旱对樱桃根际土壤细菌数量及结构多样性影响 刘方春袁邢尚军袁马海林袁等 渊远源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
随机森林算法基本思想及其在生态学中的应用要要要以云南松分布模拟为例
张摇 雷袁王琳琳袁张旭东袁等 渊远缘园冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于水文平衡的湿地退化驱动因子定量研究 侯摇 鹏袁申文明袁王摇 桥袁等 渊远远园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
华北低丘山地人工林蒸散的控制因子 黄摇 辉袁孟摇 平袁张劲松袁等 渊远远苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆天山高寒草原不同放牧管理下的 悦韵圆袁悦匀源和 晕圆韵通量特征 贺桂香袁李凯辉袁宋摇 韦袁等 渊远苑源冤噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
宁夏生态足迹影响因子的偏最小二乘回归分析 马明德袁马学娟袁谢应忠袁等 渊远愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
引黄灌区土壤有机碳密度剖面特征及固碳速率 董林林袁杨摇 浩袁于东升袁等 渊远怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
自养微生物同化 悦韵圆的分子生态研究及同化碳在土壤中的转化 吴小红袁简摇 燕袁陈晓娟袁等 渊苑园员冤噎噎噎噎
资源与产业生态
基于能值分析法的矿区循环经济系统生态效率分析 孙玉峰袁 郭全营 渊苑员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 粤阅鄄粤杂模型的海岸带生态系统综合承载力评估要要要以舟山海岸带为例
苏盼盼袁叶属峰袁过仲阳袁等 渊苑员愿冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于增强回归树和 蕴燥早蚤泽贼蚤糟回归的城市扩展驱动力分析 李春林袁刘摇 淼袁胡远满袁等 渊苑圆苑冤噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
陕西省不同生态区大气氮素干湿沉降的时空变异 梁摇 婷袁同延安袁林摇 文袁等 渊苑猿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同覆盖方式对旱地果园水热特征的影响 刘小勇袁李红旭袁李建明袁等 渊苑源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长白山苔原带土壤动物群落结构及多样性 王振海袁殷秀琴袁蒋云峰 渊苑缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
最大可允许填海面积模拟要要要厦门西海域案例研究 林琛琛袁 饶欢欢袁 刘摇 岩袁等 渊苑远远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
学术信息与动态
圆园员猿年水文土壤学与自然资源可持续利用国际学术研讨会述评 张摇 骁袁赵文武 渊苑苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆缘圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆怨鄢圆园员源鄄园圆
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 云南松树冠要要要云南松为松科松属裸子植物袁多生长在海拔 员园园园要猿缘园园皂的高山袁喜光尧耐干旱尧耐瘠薄袁适应酸性
的红壤尧黄壤袁在其他树种不能生长的贫瘠石砾地或冲刷严重的荒山坡分布袁易于天然更新遥 主要分布于四川西南
部尧云南尧西藏东南部尧贵州西部尧广西西部袁常形成大面积纯林袁尤以云南分布最广袁故有云南松之称遥 云南松树高
可达 猿园皂袁胸径达 员皂袁树皮呈灰褐色袁叶通常 猿针一束袁鲜有两针袁球果圆锥状卵圆形袁种子近卵圆形或倒卵形遥 树干
通直袁木质轻软细密袁是优质造纸尧人造板原料袁富含松脂是云南松的重要特点之一遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 3 期
2014年 2月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.3
Feb.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41005001);国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2009CB825103);中国科学院百人计划资助项
目(304) 资助
收稿日期:2012鄄09鄄22; 摇 摇 修订日期:2013鄄06鄄21
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: liu310@ cau.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201209221338
贺桂香,李凯辉,宋韦,公延明,刘学军,胡玉昆,田长彦.新疆天山高寒草原不同放牧管理下的 CO2,CH4和 N2O通量特征.生态学报,2014,34(3):
674鄄681.
He G X, Li K H, Song W, Gong Y M, Liu X J, Hu Y K, Tian C Y.The fluxes of carbon dioxide, methane and nitrous oxide in alpine grassland of the
Tianshan Mountains, Xinjiang.Acta Ecologica Sinica,2014,34(3):674鄄681.
新疆天山高寒草原不同放牧管理下的
CO2 ,CH4和 N2 O通量特征
贺桂香1,2,李凯辉1,2,宋摇 韦1,2,公延明1,刘学军1,3,*,胡玉昆1,田长彦1
(1. 中国科学院干旱区生物地理与生物资源重点实验室中国科学院新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐摇 830011;
2. 中国科学院大学, 北京摇 100049; 3.中国农业大学资源与环境学院, 北京摇 100193)
摘要:以中国科学院新疆巴音布鲁克草原生态站为依托,于 2010 年 5 月—2011 年 10 月利用静态箱鄄气相色谱法对短期禁牧
(2005年围封)、长期禁牧(1984年围封)和自由放牧(冬季放牧)3 种草地的 CO2、CH4、N2O 气体通量进行了野外连续试验研
究。 结果表明:新疆天山高寒草原对 CO2,CH4和 N2O通量表现出明显的季节排放特点。 在植物的生长季(5—10 月),新疆天
山高寒短期禁牧、长期禁牧和自由放牧草原的 CO2通量平均值分别为:(89.8依49.3)、(52.8依28.7)、(57.0依30.7)mg·m
-2·h-1,CH4
通量平均值分别为:(-66.3依21.3)、(-104.5依32.8)、(-103.0依39.0)滋g·m-2·h-1,N2O 通量平均值分别为:(21.2依11.8)、(13.6依
6郾 9)、(13.2依6.2)滋g·m-2·h-1;短期禁牧草原与长期禁牧和自由放牧草原 CH4平均通量具有显著性差异(P<0.05),但 CO2和 N2O
差异不显著(P>0.05)。 在植物的非生长季(11月—翌年 4月),新疆天山高寒短期禁牧、长期禁牧以及自由放牧草原的 3 种温
室气体的通量较低且差异均不显著。
关键词:天山;高寒草原;CO2;CH4;N2O
The fluxes of carbon dioxide, methane and nitrous oxide in alpine grassland of
the Tianshan Mountains, Xinjiang
HE Guixiang1,2, LI Kaihui1,2, SONG Wei1,2, GONG Yanming1, LIU Xuejun1,3,*, HU Yukun1, TIAN Changyan1
1 Key Laboratory of Biogeography and Bioresource in Arid Land, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi
830011, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China
Abstract: With growing concerns on impacts of human activities and global warming on Alpine grasslands, comprehensive
understanding of the sources and sinks of greenhouse gases becomes increasingly more important. The understanding is
closely related to the progress on biogeochemical cycles of carbon and nitrogen in terrestrial ecosystems. Carbon dioxide,
methane and nitrous oxide are the three most important greenhouse gases, which are considered to account for 80%
contribution to global warming potential. The alpine grassland of Xinjiang is a typical temperate arid region of grasslands.
The study was conducted at the Bayinbuluk Grassland Eco鄄system Research Station, Chinese Academy of Sciences(83毅43忆
E,42毅54忆N). Bayinbuluk alpine grassland is located in the southern Tianshan mountains. Xinjiang Uygur AutonoMous
Region, central Asia and covers a total area of approximately 2. 3 伊 104 km2 . Bayinbuluk alpine grassland is the typical
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temperate arid alpine grassland, which is the second largest grassland of China after Inner Mongolia Grassland. As we all
know, the grassland ecosystem has degenerated seriously and grazing prohibition is a frequently鄄used solution to prevent
grass grassland degradation. While, it is still unknown that grazing prohibition impacts greenhouse gases fluxes in some
degree. The study of carbon dioxide, methane and nitrous oxide of long鄄term grazing鄄prohibition grass(1984), short鄄term
grazing鄄prohibition grass(2005) and free grazing grass in Bayinbuluk alpine grassland is meaningful, which will deepen our
understanding of greenhouse gases fluxes in the alpine grassland ecosystem, help us assess global warming, parameterize
Earth System models and get more comprehensive grasp of the impact of grazing prohibition on the grassland ecosystem.
Using opaque, static, manual stainless steel chambers and gas chromatography, the fluxes of carbon dioxide, methane
and nitrous oxide of long鄄term grazing鄄prohibition grass, short鄄term grazing鄄prohibition grass and free grazing grass were
measured through the continuous experiment in situ from May 2010 to October 2011(no sampling in January and February
2011 because of the very low temperatures, about -40益). Four times per month during the growing season( from May to
October) and twice per month during non鄄growing (from November to next year April) season at all sites. According to the
results of field experiment, the alpine grassland of Xinjiang is the sources of carbon dioxide and nitrous oxide; it is the sinks
of methane. In the growing season, CO2 average fluxes of short鄄term grazing鄄prohibition, long鄄term grazing鄄prohibition and
free grazing are (89.8依49.3),(52.8依28.7), (57.0依30.7) mg·m-2·h-1; CH4 fluxes averaged out to ( -66.3依21.3),
(-104.5依32.8), (-103.0依39.0) 滋g·m-2·h-1; CH4 fluxes averaged out to (21.2依11.8), (13.6依6.9), (13.2依6.2)
滋g·m-2·h-1 . Our results indicated that: (1) Nitrous oxide fluxes showed a significant correlation with carbon dioxide fluxes
in three kinds of grasslands. ( 2) In the growing season, the difference of greenhouse gases fluxes between long鄄term
grazing鄄prohibition grass and free grazing grass were not significant, while short鄄term grazing鄄prohibition grass has higher
fluxes of carbon dioxide and nitrous oxide and lower fluxes of methane. (3) In growing season, the fluxes of methane of
short鄄term grazing鄄prohibition grass showed significant difference with long鄄term grazing鄄prohibition grass and free grazing
grass. But the difference of growing鄄season average carbon dioxide and nitrous oxide fluxes did not reach the significance
level of 0.05. (4) In non鄄growing season, no significant differences between the fluxes of carbon dioxide, methane and
nitrous oxide were found in long鄄term grazing鄄prohibition grassland, short鄄term grazing鄄prohibition grassland and free grazing
grassland.
Key Words: Tianshan Mountains; alpine grassland; carbon dioxide; methane; nitrous oxide
摇 摇 CO2、CH4和 N2O作为大气中最重要的 3 种温室
气体,对温室效应的贡献率约为 80%[1],其吸收与排
放是近年来温带草原研究的热点[2鄄4]。 高寒草原是
亚欧大陆的主要草原类型之一,不仅是主要的畜牧
业发展区,而且在全球温室气体(CO2、CH4、N2O)收
支平衡中起着重要的作用[5]。 新疆巴音布鲁克草原
是我国最大的干旱区高寒草原之一,在温带高寒草
原中具有代表性[6]。 但我国目前有关草原温室气体
排放的研究主要集中在内蒙古半干旱草原和青藏高
原高寒草原,如:CO2、CH4、N2O 通量的空间变异分
析[7],增温、氮沉降、灌溉对内蒙古草原温室气体通
量的影响[8鄄9]及放牧导致草原氧化亚氮的排放减
少[10],氮沉降增加对温室气体通量的短期效应
等[11],而对新疆高寒草原温室气体排放的研究
较少[12]。
放牧是草原生态系统最主要的土地利用方式之
一,但由于近年来对草原的过度利用,使得草地生态
系统遭受了极严重的破坏。 禁牧作为一种恢复草地
生态系统服务价值的主要方式,得到了广泛的应用。
但研究表明:禁牧在一定时间内可以提高草原物种多
样性和生态系统服务功能,但长期禁牧不利于草原物
种多样性和生态系统服务功能的提高和维持[13鄄14]。
禁牧时间对温室气体排放的影响也是零星报道[15]。
因此,开展短期禁牧、长期禁牧以及自由放牧条件下
CO2、CH4和 N2O的排放通量研究,将有利于了解新疆
高寒草原主要温室气体通量的特征,对于准确估算草
地生态系统与大气间的碳氮交换量,正确评价草原生
态系统在全球碳氮循环中的地位和作用以及制定科
576摇 3期 摇 摇 摇 贺桂香摇 等:新疆天山高寒草原不同放牧管理下的 CO2,CH4和 N2O通量特征 摇
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学合理的禁牧制度提供科学依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区概况
中国科学院新疆巴音布鲁克草原生态研究站位
于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州和静县巴
音郭楞乡阿尔嘎特村。 地处天山南坡中段大尤尔都
斯盆地西部,83毅43忆 E,42毅54忆N,海拔高度 2470m。
大尤尔都斯盆地地貌类型复杂,整个地域东西长
270km,南北宽 136km,总面积为 2.3伊104 km2 [11]。
研究站周围土壤为亚高山草原土,成土母质为
黄土,表土干燥紧实。 根据当地的气象数据(1980—
1999年),研究站的年平均气温为-4.8益,最冷月(1
月)的平均温度为-27.4益,最热月(7 月)的平均温
度为 11郾 2益。 年平均风速 2. 7m / s,年降水量平均
265.7mm,年蒸发潜力高达 1022.9—1247.5 mm,年日
照 2466—2616h,全年积雪日达 150—180d,无绝对
无霜期,属典型的高寒气候(生长季为 5 月—9 月,
非生长季为 10月—翌年 4 月)。 所选样地围牧前均
为自由放牧场,长期禁牧、短期禁牧样地分别于 1984
年、2005年禁牧,围牧后为完全禁牧。
1.2摇 研究方法
气体利用静态暗箱法采样,采样箱体积为 50cm
´50cm ´10cm,采样频率为生长季每个月 4 次,非生
长季为每个月 2次(2011 年 1 月—2月气温极低,约
-40益,没有进行采样)。 采样时间均为北京时间
12:00—14:00。 采样时选择地势较平坦的样方放置
采样箱,观测时将采样箱放入已插入土壤 10cm深处
的不锈钢底座外缘四周的凹槽中,并用蒸馏水密封,
每次观测设 4个重复。 采气持续时间为 30min,分别
抽取盖箱后 0,15和 30min 时的气体样品,每次采样
时抽取观测箱内气体约 100mL 置于密封气袋中,用
于气体浓度的分析。 气体样品从野外采回后,气体
浓度于 1周内在实验室内利用 Agilent4890D 气相色
谱仪进行分析。
数据分析采用 Excel 2007 进行统计分析,并用
Sigma Plot 10.0作图。
1.3摇 通量计算
气体的通量表示单位时间单位面积观测箱内该
气体质量的变化。 一般正值表示气体从土壤排放到
大气,负值表示土壤吸收大气中的该气体,用公式表
示为:
F = 籽·h·dC
dt
· 273
273 + T
式中,F为 CO2、CH4和 N2O 排放通量(mg·m
-2·h-1,
滋g·m-2·h-1和 滋g·m-2·h-1);籽 为三者标准状态下的密
度, 籽 = M
V
,M为 3种气体的摩尔质量(g / mol),V 是
标准状态下气体的摩尔体积;h 是经过水层高度调
整后采样箱顶部距水面的实际高度(m), dC
dt
为采样
过程中采样箱内 CO2、CH4和 N2 O 的浓度变化率
(mL·m-3·h-1或滋L·m-3·h-1),即不同时间与箱内气体
浓度变化的斜率,在 30min 内密闭观测箱内呈线性
累积(P<0.05)的浓度计算的排放通量为有效排放通
量观测值,其它值视为无效数据;T 为采样时大气的
平均温度(益)。
2摇 结果与分析
2.1摇 CO2排放通量
新疆巴音布鲁克高寒草原表现为大气 CO2的
源。 从图 1 可以看出:3 种不同放牧管理模式下的
CO2源的季节变化形式基本一致,但吸收强度有所差
别。 与短期禁牧相比,自由放牧很大程度上降低了
土壤 CO2排放,但二者差异不显著(P>0.05)。
摇 图 1摇 新疆天山高寒草原不同放牧强度下 CO2月平均通量值
Fig.1摇 CO2monthly average fluxes under different grazing degree
in alpine grasslands of Tianshan mountains
摇 摇 3种类型天然草原对 CO2排放的季节表现形式
是以生长季为排放峰值的单峰曲线。 2010 年生长
季,短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧草原的 CO2排
676 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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放的峰值分别为: 163.8,89.8 和 86.7mg·m-2·h-1。
2011 年生长季,三者的 CO2排放的峰值分别为:
194郾 1,103.7 和 122.8mg·m-2·h-1。 而非生长季 CO2
的排放量很低,短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧草
原 CO2的排放范围分别为:2.0—16.9 mg·m
-2·h-1,
2郾 0—10.0 mg·m-2·h-1,2.6—6.7 mg·m-2·h-1。 摇
2.2摇 CH4吸收通量
图 2表明了 CH4地气交换在植物生长季和非生
长季(包括春季融化阶段)的变化特点,在植物的生
长季和非生长季,新疆天山高寒草原对 CH4的作用
表现为吸收。 从表 1 可以看出:长期禁牧与自由放
牧对 CH4的吸收具有高度一致的季节变化形式与吸
收强度,短期禁牧与长期禁牧以及自由放牧的 CH4
吸收强度均具有显著性差异(P<0.05),但表现出较
大的年际波动。
图 2摇 新疆天山高寒草原不同放牧强度下 CH4月平均通量值
Fig.2摇 CH4monthly average fluxes under different grazing degree in
alpine grasslands of Tianshan mountains
*表示达到了 0.05的显著性水平
3种类型天然草原对 CH4排放的季节表现形式
为以生长季为吸收峰值的单峰曲线。 2010 年生长
季,短期禁牧、长期禁牧以及自由放牧的 CH4吸收峰
值分别为:82.7,107.3和 113.4滋g·m-2·h-1;2011 年生
长季,短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧的 CH4吸收
峰值为别为:90.5,185.3 和 212.6滋g·m-2·h-1。 而非
生长季 CH4的吸收值较低,短期禁牧,长期禁牧以及
自由放牧草原对 CH4的吸收范围分别为: 7.3—18.3
滋g·m-2·h-1,10.6—33郾 3 滋g·m-2·h-1,5.0—25.0 滋g·m-2·h-1。
2.3摇 N2O排放通量
新疆天山高寒草原是 N2O 的源(图 3),短期禁
图 3摇 新疆天山高寒草原不同放牧强度下 N2O月平均通量值
Fig.3摇 N2O monthly average fluxes under different grazing degree
in alpine grasslands of Tianshan mountains
牧、长期禁牧以及自由放牧的季节变化形式基本一
致。 从排放强度来说,长期禁牧与自由禁牧对 N2O
排放的强度基本相同,短期禁牧对 N2O 排放的强度
大于长期禁牧与自由放牧,但均不显著(P<0.05)。
3种类型天然草原对 N2O 排放的季节表现形式
为以生长季为吸收峰值的单峰曲线。 2010年生长季,
短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧的 N2O排放峰值分
别为:40.1,24.4和 23.5滋g·m-2·h-1;2011年生长季,短
期禁牧,长期禁牧以及自由放牧的 N2O排放峰值为别
为:19.5,16.8和 16.3滋g·m-2·h-1。 而非生长季 N2O的
排放量很低,短期禁牧,长期禁牧以及自由放牧草原
N2O的排放范围分别为:4—8.5 滋g·m
-2·h-1,2—6.8
滋g·m-2·h-1,2—5.6 滋g·m-2·h-1。
2.4摇 新疆天山高寒草原 CO2、CH4和 N2O 通量季节
变化
新疆天山高寒草原 CO2、CH4和 N2O通量具有明
显的季节变化形式,生长季通量显著大于非生长季。
CH4的季节变化规律特征不如 CO2、N2O 明显。 研究
区温室气体的源 /汇通量主要集中在生长季,非生长
季通量在全年占的比重很小。 CO2、CH4和 N2O 季节
通量比重存在较大差异,但相同气体在不同类型草
原季节通量比重差异较小(表 1)。
3摇 讨论
3.1摇 CO2的通量特点及影响因素
草原生态系统的温室气体通量取决于大气环境
条件(主要是气温、降水量等)、群落的生物量(地
776摇 3期 摇 摇 摇 贺桂香摇 等:新疆天山高寒草原不同放牧管理下的 CO2,CH4和 N2O通量特征 摇
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上、地下) 以及土壤性质(结构、含水量等)和土壤微
生物过程等,上述因子的差异及其变化决定着草原
温室气体通量值的大小及其季节变化特征。
表 1摇 新疆天山高寒草原不同放牧强度下生长季与非生长季 CO2,CH4和 N2O通量比例
Table 1 摇 Seasonal proportion compare of CO2,CH4 and N2O emission under different grazing degree in alpine grasslands of Tianshan
mountains摇
放牧程度
Degree of grazing
生长季 Growing season
CO2 / % CH4 / % N2O / %
非生长季 Non鄄growing season
CO2 / % CH4 / % N2O / %
短期禁牧(Mean依SE)
Short鄄term grazing鄄prohibition 95.8依11.6 86.1依3.6 81.1依7.9 4.2依0.8 13.9依1.1 18.9依0.9
长期禁牧(Mean依SE)
Long鄄term grazing鄄prohibition 93.7依10.8 85.4依1.6 81.2依7.2 6.3依0.9 14.6依1.6 18.8依1.7
自由放牧(Mean依SE)
Free grazing 94.3依10.5 89.0依1.5 79.8依6.6 5.7依0.2 11.0依1.5 20.2依1.4
与自由放牧相比,短期禁牧促进了 CO2排放。 这可
能是由于生长季植物根系呼吸占土壤总呼吸比重较
大,而放牧使群落地下生物量降低所致[16]。 此外,
根系分泌物可以促进土壤微生物呼吸[17],而放牧降
低地下生物量的同时,也减少了根系分泌物的产生,
从而使放牧样地土壤呼吸速率小于封育样地。 与长
期禁牧相比,短期禁牧促进了 CO2排放。 这是因为
长期禁牧在降低物种多样性的同时,会降低土壤微
生物的活动,改变土壤的水分和温度情况,导致与短
期禁牧在温室气体排放方面的差异[14]。 “中度干扰
假说冶认为:中等干扰程度能使多样性维持最高水
平,它允许更多的物种入侵和定居[18鄄19]。 在本研究
中,自由放牧可以看成干扰强度较高的植物群落,短
期禁牧可以看成干扰强度中等的植物群落,长期禁
牧可以看成是干扰强度较低的群落。 因此,造成了
短期禁牧草原 CO2排放量大于长期禁牧和自由
放牧。
新疆巴音布鲁克短期禁牧草原 2011年 7、8、9月
的 CO2排放平均值为(130.9依43.1) mg·m
-2·h-1,与同
为高寒草原的其它生态系统相比。 其同期的 CO2排放
平均值具有如下规律:黄河源区高寒草甸(460.4 mg·
m-2·h-1) [20] >青藏高原海北高寒草甸((240.0依60.0)
mg·m-2·h-1) [21] > 青藏高原纳木错高寒草原(208.2
mg·m-2·h-1) [22] >新疆巴音布鲁克高寒草原((130.9依
43.1) mg·m-2·h-1)。 从各高寒草原的降水量和年均
温来分析,各高寒草原的年降水量具有如下规律:海
北(580mm)>黄河源区(528mm)>纳木错(280mm)>
巴音布鲁克(265.7mm);4种类型高寒草原的年均温
相差不大,为:纳木错(0.0益) >海北( -1.7益) >黄河
源区(-3.9益)>巴音布鲁克( -4.8益 )。 从以上规律
可以看出,生态系统的水热条件在很大程度上决定
了生态系统的 CO2排放水平;但由于各生态系统地
理跨度大,土壤性质和气候特点具有一定的差异,因
此,其 CO2排放水平和生态系统的水热条件不能实
现完全一致。
3.2摇 CH4的通量特点及影响因素
适度放牧能促进草原土壤对甲烷的吸收[23]。
在本研究中,与短期禁牧相比,自由放牧促进了土壤
对 CH4的吸收。 这可能是因为短期禁牧改变了自由
放牧土壤理化性质,使土壤的紧实度降低,土壤紧实
度影响着土壤持水能力的变化,而土壤持水能力的
变化又影响着土壤湿度的变化。 有研究表明,土壤
的甲烷通量是由土壤的水分特征决定的,亚高山草
原 CH4的吸收与土壤含水量具有显著的负相关关
系[24]。 因此认为,短期禁牧因为没有牲畜践踏造成
了较低的土壤紧实度,使得土壤的持水导水能力得
到提高,所以才导致了短期禁牧对 CH4的吸收低于
自由放牧。 长期禁牧与短期禁牧相比,积累了更多
的地上生物量和凋落物[13]。 过多的凋落物会在土
层表面形成一个疏水层,阻止水分下渗,造成土壤含
水量的降低。 较低的土壤水分含量,使得土壤孔隙
中的氧气含量增加。 氧气浓度的升高会促进甲烷氧
化菌的活性[25],促进对 CH4的吸收。 所以与短期禁
牧相比,长期禁牧对 CH4较高的吸收值。
新疆巴音布鲁克短期禁牧草原 2011 年 7、8、9
月的 CH4吸收强度平均值为 0.089依0.020 mg·m
-2·
h-1。 其他高寒草地生态系统 CH4吸收强度表现出与
CO2相同的规律:黄河源区(-0.028 mg·m
-2·h-1) [20] >
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海北( -0.037mg·m-2·h-1) [26] >纳木错( - 0. 047mg·
m-2·h-1) [22] >巴音布鲁克((-0.089依0.020) mg·m-2·
h-1)。 与其他 3个地区相比,巴音布鲁克高寒草原具
有较高的 CH4吸收强度。 因此进一步说明,除降水
量和年均温等气候要素外,土壤、地形以及植被等因
素共同决定了生态系统 CH4源汇强度。
3.3摇 N2O的通量特点及影响因素
3种类型草原 N2O通量都表现出明显的季节排
放特点。 与短期禁牧相比,长期禁牧和自由放牧抑
制了土壤 N2O的排放。 土壤微生物的硝化和反硝化
作用是土壤中 N2O产生的主要过程[27],土壤含水量
较低时,N2O主要来自硝化过程;反之,N2O 主要来
自反硝化过程[28]。 在植物的生长季,土壤总硝化、
反硝化和土壤 N2O释放率的变化趋势保持一致[29]。
所以,决定土壤 N2O 释放率的是土壤的硝化和反硝
化过程。 在其他条件稳定的情况下,土壤温度和水
分是调控土壤硝化和反硝化速率最主要的影响因
子[30鄄31]。 长期禁牧和自由放牧因为与短期禁牧相比
具有更低的土壤水分含量,使得土壤微生物的活性
和代谢速率降低,另外,土壤微粒的物理吸附作用尤
其是在水分较少的情况下也可能会吸收外界少量的
N2O[32];而且,土壤紧实度也会影响土壤中产生的
N2O能否及时排放,而这会显著影响 N2O 的排放通
量[33]。 这些原因共同导致了与短期禁牧相比,长期
禁牧和自由放牧较低的 N2O的排放。
新疆巴音布鲁克短期禁牧草原 2011 年 7、8、9
月的 N2O吸收强度平均值为 29郾 6依15.0 滋g·m
-2·h-1。
与其它地区高寒草地生态系统相比,N2O 排放规律
特点如下:海北((30.2依2.8) 滋g·m-2·h-1) [34] >巴音
布鲁克((29郾 6依15.0) 滋g·m-2·h-1)>纳木错(0.487滋g
·m-2·h-1) [22]。 纳木错高寒草原 N2O 排放通量明显
小于海北和巴音布鲁克,这可能是因为纳木错地区
土壤湿度情况变化较快,N2O 吸收与排放交替出现,
造成纳木错高寒草原 N2O通量较低[22]。
4摇 结论
(1)通过静态箱鄄气象色谱法的观测结果,新疆
天山高寒草原对 N2O 表现为排放,对 CH4表现为吸
收,其通量都具有明显的季节排放特点。 新疆巴音
布鲁克草原的 3 种放牧类型(长期禁牧、短期禁牧、
自由放牧)草原的三种气体的季节变化形式基本相
同,都是以生长季为峰值的单峰曲线。 夏季 6、7 和 8
月出现气体通量的高峰值,而在整个非生长季(2010
年 10月—2011年 4月)草原对 3种气体通量较低。
(2)对于新疆巴音布鲁克草原的 3 种放牧类型
(长期禁牧、短期禁牧、自由放牧)草原,在植物生长
季和非生长季,长期禁牧和自由放牧的通量强度基
本一致,短期禁牧草原的 CO2和 N2O 排放强度大于
长期禁牧与自由放牧,但均不显著,CH4吸收强度显
著低于长期禁牧和自由放牧草原。
(3)对于新疆巴音布鲁克草原的 3 种放牧类型
(长期禁牧、短期禁牧、自由放牧)草原,在植物的生
长季,草原的温室气体通量有较大的年际波动,但年
际差异一般也是改变通量的大小,而对季节变化形
式无显著影响。 在植物的非生长季,由于 CO2、CH4
和 N2O在 3种类型草原的通量强度都很小,其 3 种
类型草原的通量在排放强度和季节变化上均相差
不大。
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杂责葬贼蚤葬造 凿蚤泽贼则蚤遭怎贼蚤燥灶 葬灶凿 泽责葬贼蚤葬造 葬泽泽燥糟蚤葬贼蚤燥灶 燥枣 杂贼藻造造藻则葬 糟澡葬皂葬藻躁葬泽皂藻 责燥责怎造葬贼蚤燥灶 蚤灶 贼澡藻 凿蚤枣枣藻则藻灶贼 葬造贼蚤贼怎凿藻 蚤灶 蚤灶 凿藻早则葬凿藻凿 葬造责蚤灶藻 早则葬泽泽造葬灶凿
郧粤韵 云怎赠怎葬灶袁 在匀粤韵 悦澡藻灶早扎澡葬灶早袁 在匀哉韵 酝粤 蕴葬灶糟葬燥 渊远园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
月蚤燥贼蚤糟 泽贼则藻泽泽 燥枣 责则藻凿葬贼燥则泽 燥灶 责燥责怎造葬贼蚤燥灶 燥枣 葬造造蚤早葬贼燥则 憎藻藻凿 枣造藻葬 遭藻藻贼造藻袁 粤早葬泽蚤糟造藻泽 澡赠早则燥责澡蚤造葬 渊 悦燥造援院 悦澡则赠泽燥皂藻造蚤凿葬藻冤
蕴陨哉 再怎枣葬灶早袁蕴陨 云藻蚤袁郧哉陨 云葬灶早赠葬灶袁 藻贼 葬造 渊远员猿冤
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栽澡藻 葬皂燥怎灶贼 葬灶凿 凿赠灶葬皂蚤糟泽 燥枣 造蚤贼贼藻则枣葬造造 蚤灶 贼澡藻 灶葬贼怎则葬造 泽藻糟燥灶凿葬则赠 枣燥则藻泽贼 蚤灶 酝燥责葬灶 酝燥怎灶贼葬蚤灶
云粤晕 悦澡怎灶灶葬灶袁 郧哉韵 在澡燥灶早造蚤灶早袁 在匀耘晕郧 允蚤灶责蚤灶早袁 藻贼 葬造 渊远猿猿冤
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蕴陨哉 云葬灶早糟澡怎灶袁 载陨晕郧 杂澡葬灶早躁怎灶袁 酝粤 匀葬蚤造蚤灶袁 藻贼 葬造 渊远源圆冤
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栽澡藻 遭葬泽蚤糟 责则蚤灶糟蚤责造藻 燥枣 则葬灶凿燥皂 枣燥则藻泽贼 葬灶凿 蚤贼泽 葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶泽 蚤灶 藻糟燥造燥早赠院 葬 糟葬泽藻 泽贼怎凿赠 燥枣 孕蚤灶怎泽 赠怎灶灶葬灶藻灶泽蚤泽
在匀粤晕郧 蕴藻蚤袁 宰葬灶早 蕴蚤灶造蚤灶袁 在匀粤晕郧 载怎凿燥灶早袁 藻贼 葬造 渊远缘园冤
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匝怎葬灶贼蚤贼葬贼蚤增藻 葬灶葬造赠泽蚤泽 燥枣 凿则蚤增蚤灶早 枣葬糟贼燥则泽 枣燥则 憎藻贼造葬灶凿 凿藻早则葬凿葬贼蚤燥灶 遭葬泽藻凿 燥灶 澡赠凿则燥造燥早赠 遭葬造葬灶糟藻
匀韵哉 孕藻灶早袁 杂匀耘晕 宰藻灶皂蚤灶早袁宰粤晕郧 匝蚤葬燥袁 藻贼 葬造 渊远远园冤
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杂贼燥皂葬贼葬造 葬灶凿 藻灶增蚤则燥灶皂藻灶贼葬造 糟燥灶贼则燥造 燥灶 藻增葬责燥贼则葬灶泽责蚤则葬贼蚤燥灶 蚤灶 葬 责造葬灶贼葬贼蚤燥灶 蚤灶 贼澡藻 造燥憎藻则 皂燥怎灶贼葬蚤灶 葬则藻葬泽 燥枣 晕燥则贼澡 悦澡蚤灶葬
匀哉粤晕郧 匀怎蚤袁 酝耘晕郧 孕蚤灶早袁 在匀粤晕郧 允蚤灶泽燥灶早袁 藻贼 葬造 渊远远苑冤
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栽澡藻 枣造怎曾藻泽 燥枣 糟葬则遭燥灶 凿蚤燥曾蚤凿藻袁 皂藻贼澡葬灶藻 葬灶凿 灶蚤贼则燥怎泽 燥曾蚤凿藻 蚤灶 葬造责蚤灶藻 早则葬泽泽造葬灶凿 燥枣 贼澡藻 栽蚤葬灶泽澡葬灶 酝燥怎灶贼葬蚤灶泽袁 载蚤灶躁蚤葬灶早
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蕴葬灶凿泽糟葬责藻袁 砸藻早蚤燥灶葬造 葬灶凿 郧造燥遭葬造 耘糟燥造燥早赠
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酝粤 酝蚤灶早凿藻袁 酝粤 载怎藻躁怎葬灶袁 载陨耘 再蚤灶早扎澡燥灶早袁 藻贼 葬造 渊远愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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愿苑苑 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
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标准刊号院陨杂杂晕 员园园园鄄园怨猿猿摇 摇 悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
耘鄄皂葬蚤造院 泽澡藻灶早贼葬蚤曾怎藻遭葬燥岳 则糟藻藻泽援葬糟援糟灶摇 网摇 摇 址院 憎憎憎援藻糟燥造燥早蚤糟葬援糟灶
编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 猿期摇 渊圆园员源年 圆月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
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